X5032立式铣床进给系统的数控改造毕业论文

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1、 . . . 摘要数控机床是当今机械制造业中实现机电一体化的代表性先进设备。随着先进制造业的发展，对旧机床的数控化改造，特别是普通股机床数控化改造已经成为摆在我们面前迫切而艰巨的任务。本课题选择了对X5032铣床进给系统的数控改造方案，在叙述数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过对X5032旧机床的分析，结构机床改造的思想，提出了数控化改造的技术方案。改造的主要是机械部分，即对丝杠、驱动元件步进电机和减速齿轮的改造。改造后的铣床除了能加工铣削键槽、平面与孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面与凸轮等）的零件，具有高精、高效与加工产品围广等特点。控制方式可以是开环、闭环与半闭环

2、。 机床改造后，显示了机床强大的工作能力和高度的可靠性，加工精度和生产率有较大的提高，是提高企业数控化率的一条切实可行的途径。关键词 数控改造 进给 X5032铣床X5032 MILLING MACHINE FEED SYSTEM OF THE NUMERICAL CONTROLABSTRACTNC(numerical control)machine is the representative of advanced equipment in current mechanical manufacture industry With the developing of modem manufac

3、ture industry,to retrofit old machine with NC，especially to study the ordinary millingmachines retrofitted with NC has become more and more urgent and arduous for USAfter introducing NC machines history and current status and the analysis of old mathine X5032,a novel scheme for NC machine retrofitte

4、d and new NC machine selection is proposed .The main part to improve is the part of machine,which means improving screw,stepper motor and reduction gear.After transformation,the milling machine not only can be milling keyway ,flat, and the hole parts, but also processing of complex shaping parts(suc

5、h as the processing of circular surface,slope,and cam,etc),and has high precision, wide rage of efficient and processed products features.The control way can be open loop,closed loop and semi-closed loop. After retrofitted the work ability and reliability of the second-hand had been enhanced greatly

6、,so as to their working precision and productivity.It is proved that raising rate of NC control is a feasible way for enterprise to enhance their productivity and profit.KEY WORDS NC transformation feed X5032 milling machine目 录第一章 绪论11.1数控机床的产生和发展1 1.1.1数控机床的发展简史11.1.2我国数控技术的发展11.1.3数控机床发展趋势41.2机床数控

7、化改造业的发展与前景分析5 1.2.1链美国、日本和德国等发达国家把机床改造作为新的经济增长行业51.2.2机床数控化改造容51.2.3机床数控化改造的优越性51.2.4机床数控化改造的现实意义和市场前景61.3课题背景、意义与研究目标61.3.1课题背景、意义61.3.2设备现状与鉴定71.3.3研究目标7第二章 数控机床与控制方式82.1数控机床的组成与工作原理82.1.1数控机床的组成82.1.2数控机床的工作原理82.2数控机床的控制方式选择92.2.1位置控制方式分类9 2.2.2步进电机的开环控制11 2.2.3数控机床开环系统速度计算12第三章 机械传动系统的改造设计13 3.1

8、机械传动系统改造设计方案13 3.1.1改造设计任务13 3.1.2总体方案设计的确定13 3.2机械传动系统改造设计与计算14 3.2.1已知条件14 3.2.2进给系统计算设计16 3.2.2.1纵向（X向）设计计算16 3.2.2.2横向（Y向）设计计算27 3.3数控铣床的导轨34第四章机床参数的设定与调试374.1系统常用技术参数设定37 4.2反向间隙补偿40 4.3丝杠螺距误差补偿41 4.4调试容42 4.4.1调试步骤42 4.4.2常见故障与解决方法43 4.5本章小结43第五章 结论与展望44 5.1结论44 5.2尚需完善之处44 5.3建议45第6章 致46参考文献4

9、748 / 52第一章 绪论1.1数控机床的产生和发展历程111数控机床的发展简史1946年世界上诞生了第一台电子计算机，同期美国北密执安的小型飞机承包商帕尔森斯公司(Parsons Corporation)为了制造飞机机翼轮廓的板状样板，提出了采用数字控制技术进行机械加工的思想，1949年由帕尔森斯公司与美国麻省理工学院伺服机构研究所合作开始从事数控机床的研制工作， 1952年，研制出第一台实验性数控系统，并把它装在一台立式铣床上，成为世界上第一台数控机床，成功实现了同时控制三轴的运动。1954年11月，在帕尔森斯专利基础上。第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司(Bendix corpo

10、ration)生产出来，从此，传统机床产生了质的变化。50多年过去了，数控系统由当时的电子管起步，经历了两个阶段六代的发展，即：硬件逻辑数控，简称为数控c)阶段经历了三代，即1952年第一代电子管；1959年第二代晶体管和印刷电路板；1965年第三代一小规模集成电路，由于它体积小，功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。计算机数控(计算机数字的控制，简写为CNC)阶段也经历了三代，即1970年第四代小型计算机，1974年第五代微处理器(MNC)和1990年第六代基于PC的阶段。数控系统发展到了第五代以后，从根本上解决了可靠性低、价格昂贵、应用不方便等极为关键的问题，并在

11、上世纪七十年代末八十年代初以后首先在美国、日本、欧洲等工业发达国家得到大规模普与应用。112我国数控技术的发展1121我国数控技术经过了研制开发、引进技术、消化吸收、科技攻关和产业攻关几个过程，并得到了飞速发展从1958年起，由一些科研院所、高等学校和少数机床厂起步进行数控系统的研制和开发，由于受到当时国产电子元器件水平低、部门经济等因素的制约，未能取得较大的进展。在改革开放以后，经过“六五”(19811985年)的引进国外技术，“七五”(19861990年)的消化吸收和“八五”(1991-1995年)国家组织的科技攻关和“九五”(19962000年)国家组织的产业化攻关，才使得我国数控技术逐

12、步取得实质性的进展，一些较高档次的数控系统(五轴联动)，分辨率为0002pm的高精度数控系统、数字仿形数控系统、为柔性单元配套的数控系统都开发出来，并造出样机，开始了专业化生产和使用。1122国数控机床现状近年来，随着机床工业的发展，我国机床一“工作母机直保持两位数增长。2003年产值达260亿元，产量居世界第四。我国的机床消费则超过59亿美元(约台人民币488亿元)，首次跃居“世界第一，产值水平260亿元，消费超出220多亿元，其差额自然只有靠进口。据海关统计，2003年我国进口机床产品金切机床与锻压设备约315亿美元，又是一个“世界第一”!而全行业出口仅为进口的lnO一一31亿美元。其中出

13、口的数控机床有数拉车床、数控磨床、数控特种加下机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。机床业现状可以用“三人一小”一一消费大国、生产大国、进口大国和出口小国。“母机”水平看“数控”。1992年我国年产数控机床仅4200多台到2003年这一数字已为248万多台，比上年增长了416。10年来，我国数控金切机床产量翻了两番多，数控机床产品开发加快，一批反映当前世界数控机床发展潮流的高档次数控机床问世，如直线电机驱动加工中心、五轴车铣复合中心、五轴龙门加工中心等。建立了以中、低档次数控机床为主的

14、产业体系和高档次数控机床的研发和生产体系，可以说，我国机床业整体素质有了明显提高。但与发达国家相比，我国机床数控化率还不高，目前生产产值数控化率还不到30；消费值数控化率还不到50，而发达国家大多在70左右。高档次的数控机床与配套部件只能靠进口。我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。这些数控机床，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。113数控机床发展趋势1高速、高效、高精度、高可靠性1)高速、高效加工进入21世纪，机床向高速化方向发展，大幅度提高加工效率、降低加工

15、成本，提高零件的表面加工质量和精度。上世纪90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。2)高精度、超精密化加工当前，机械加工高精度的要求较普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加丁精度进入纳米级(OOOl微米)，主轴回转精度要求达到O01-0.05微米，加工圆度为O1微米，加工表面粗糙度Ra=O003微米等。从精密加工发展到超精密加工(特高精度加工)，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(lOnm)，其应用围日趋广泛。3)高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上

16、，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠。对于每天工作两班的无人工厂而言如果要求在16小时连续正常工作，无故障率P(t)=99以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。当前国外数控装置的MTBF值已达60000小时以上，驱动装置达30000小时以上。2模块化、智能化、柔性化和集成化1)模块化、专门化与个性化为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。2)智能化在数控系统中智能化的容包括：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能

17、与使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算等：简化编程、简化操作方面的智能化；智能诊断、智能监控方面的容等。3)柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、工厂自动化FA)、体(cIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。3开放性为适应数控进线、联网、普与型个性化、多品种、小批量、柔性化与数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结每的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国的OMAC、欧共体的OSACA与日本的OSEC

18、发展开放式数控的计划等。4出现新一代数控加工工艺与装备12机床数控化改造业的发展与前景分析机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标，它是根据生产实际需要提出，并随着机床行业以与技术的不断进步而发展起来孵，它的容是应用成熟数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，对现有机床的局部结构进行改造。并安装上新部件、新装置、新附件，用计算机控制机床的工作，提高机床的技术性能指标，使之全部或局部达到新数控机床的水平。121美国、日本和德国等发达国家把机床改造作为新的经济增长行业美国、日本和德国等发达国家在大量生产数控机床的同时，还非常重视普

19、通机床的数控化改造，机床改造正逐步从制造业中分化出来，并形成了把机床改造作为新的经济增长行业。如德国的Schicss公司在1981年把一台加工直径为19rn的超重型立式车床改装成数控机床。在美国机床改造业称为机床再(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Dcvlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。我国的机床

20、改造业，也从老的行业发展到以数控技术为主的新的行业。122机床数控化改造的容(1)恢复原功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复(2)选用成熟的数控系统对机床进行数控化改造；(3)翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行改造设计，经大修鉴定，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；(4)技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，拓展其功能的更新改造。123机床数控化改造的优越性1231机床数控化改造的技术优越性(1)数控机床比传统机床有突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统中计算机的作用。（2）可以加工出传统机

21、床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。(3)可以实现加工的柔性自动化，效率可比传统机床提高3到7倍。传统机床靠凸轮或挡块等可实现“剐性自动化”，且只有进行大批量生产时，才经济合算；而数控机床只要更换一个程序就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以白动化，故称之为“柔性自动化”。(4)加工的零件精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要“修配”。这是由于加工过程自动化，不受人的情绪和疲劳影响的结果。计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不会因刀具磨损而影响工件精度和其一致性。数控系统中增加的机床误差、加工误差修正补偿的功能，使加工精度得到进一步提高。(5)可实现多工序的集中，减少零件在机

22、床问的频繁搬运。这是自动化带来的效果(可以自动换y3)，如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、攻丝、扩孔等多工序的加工。这些多工序是在同一基面、同一次装夹下实现的，提高了相关的加工精度。现已出现其他工序集中的机床。如车削中心、车铣中心、磨削中心等。(6)拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。(7)数控加工降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，并可对市场需求做出快速反应。1232机床数控化改造的客观优越性(1)费用低-经济性好。改造周期短，可满足生产急需同可购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低

23、。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的I3，以大型的龙门加工中心为例，进口新的需要1000_一5000万元，而升级改造只需要100500万元，仅占成本的110，且交货期短。(2)改造后的机床机械性能稳定可靠、功能增强、质量好、效率高，可作为新设备继续使用多年。(3)降低了对操作者的技术要求，更易提高管理水平操作者只需编程、装夹工件和按开关，加工全部由电脑控制自动完成，即使再复杂的工件也能快速完成，省去了对技术要求的烦恼，同时提高了定额管理水平。(4)可以采用虽新的控制技术可根据技术革新的速度，与时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成

24、具有当今水平的机床。124机床数控化改造的现实意义与市场前景目前在我国400余万台机床拥有量中，数控机床总数只有1134万台，机床数控化率不到3，而旧普通机床占到6 O之多。这些旧装备(机床)大部分结构旧，操作系统复杂，控制系统落后。用这种旧装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。如果购置新机床全部去取代旧机床，显然义会导致旧机床的闲置和巨大浪费，也不现实：况且购买一台数控机床动辄十几万、几十万，甚至上百万，在我国一些企业是很难承受的。因此如何用较少的费用，获得具有数控功能的机

25、床就成为一个值得探讨的问题。普通机床数控化升级改造不失为一种行之有效的方法，并可为企业节约大量资金，具有重要的现实意义和广阔的市场前景。如：国防科技工业完成了3000多台普通机床数控化改造，改造后生产效率提高约3倍，加工精度提高20，与新购设备相比可节约资金50以上。13课题背景、意义与研究目标131课题背景、意义1)专家预言专家们预言：“二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争，最终是数控人才的竞争。”中国加入世贸组织后，正在逐步变成“世界制造中心”。制造企业已开始广泛使用先进的数控技术。而掌握数控技术的机电复合人才奇缺“月薪6000难聘数控技工”、“年薪16万招不到模具技工”成为

26、全社会普遍关注的热点问题，从而引起了中央领导、教育部、劳动与社会保障部等政府部门的高度重视。2003年，教育部已明确把数控人才列为社会四大紧缺性人才之一。2005年数控人才缺口仍高达60万。2)企业人才需求现状(1)蓝领层主要从事数控机床的操作，在企业需求的数控岗位中占先7013，是企业数控人才需求量最大的部分；(2)银领层主要指企业目前急需的人才具有扎实的数控加工工艺与编程基本理论知识和操作技能的工艺编程人员，在企业数控技术岗位中占126：具有较强的数控设备、机械、电气调试与维护、维修动手能力的数控设备维修人员，在企业数控技术岗位中占12“=(3)金领层主要指精通机电、机电联调、机床操作、编

27、程与维修的数控高层次技术人才，在企业数控技术岗位中占483。3)数控技术教育现状职业技术学院在校生达3000多入，其中数控、机电等工科专业学生占80以上。学院有两个实习工厂，供学生机加工、钳焊等工种实习，其中数控车、铣床不足十台。随着社会经济的发展，社会大中型企业、集体企业、私营企业迫切需要数控人才，主要用于数控加工的编程、数控机床的操作、维护等学校在设备数量、培养规模等方面，远远不能适应这一现状。为改善数控实训条件，改变数控机床严重短缺的现状，满足学生数控机床的操作、编程、维护等实训要求，同时还能用微机控制铣削任意弧面与轮廓曲面，实习工厂以X5 0 3 2铣床、CA6 l 4 0车床为重点技

28、改项目，进行数控化改造。132 设备现状与鉴定X5032立式升降台铣床购于上世纪80年代，主要用于学生生产实习与教学实习，很少从事对外生产，经对机床综合考察认为，尽管经历了20多年，但机床的底座、工作台等基础件很好，机床主传动系统工作正常，运转精度等尽在技术指标田之，进行保养即可无需大修。存在的问题是电气系统老化，控制落后，机床进给系统传动链太长，工作中存在变速困难，经常发出齿轮啮合、类似打齿类的噪声，升降台机动升降功能已经丧失，丝杠传动链反向间隙过大无法保证零件质量，机加工精度大大下降，因经常要停车检查维修，生产率大受影响，虽经多次维修，但仍不能正常运行，故需对进给系统、电气控制作彻底的改造

29、。133 研究目标本人的研究目标是针对X5 0 3 2铣床的特点，在满足生产、现场教学、实习实习需要的前提下。对原铣床做尽可能少的改动，利用数控系统控制铣床运动，实现工作台x、Y轴的两坐标控制与任意两轴的联动控制，提高铣床的加工精度和自动化水平，完成铣床的数控化改造工程研究。14 论文总体思路(改造思想)与研究容在充分调查研究和技术分析的基础上，利用数控改造成功经验和自己在机械、电气、数控技术等方面的理论与实践基础，完成X5032铣床的数控化改造。改造后的铣床，具有数控功能，较先进的自动化加工能力。加工精度、效率、质量稳定性得以提高和保证。具体是：保留原机床的主进给功能，增加主轴的正，反转、启

30、动停车CNC控制功能，具有工进、快进、急停、显示行程、控制行程和报警与断电保护功能；实现工作台的x、Y两轴数控，两轴联动开环控制功能。(1)技术鉴定和了解机床的机械传动部分改前的几何精度、尺寸精度，电气元器件与线路老化状况，对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析。(2)机械部件测绘设计，完成x、Y向进给机构设计计算和滚珠丝杠的选型，初选步进电机。(3)数控系统的分析选用伺服系统和步进电机的配套选用。(4)机床安装调试与试运行。第二章 数控机床与控制方式21 数控机床的组成与工作原理数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处联盟(Internation

31、al Federation ofInformation Processing，IFIP)第五技术委员会，对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用或其它符号指令规定的程序。2. 11数控机床的组成数控机床通常由程序载体(控制介质)、输入装置、数控装置、伺服系统、位置反馈系统和机床本体组成，如图2-I所示。其中实线部分为开环控制数控机床框图，上述系统再加上虚线部分，就构成具有测量反馈功能的闭环控制数控机床框图。1 控制介质(信息载体) 数控机床加工时，为了得到图样上所规定的零件形状和加工精度，在加工过程中，机床所需要的全部操作动作和刀具相对于工件的运

32、动轨迹，都是由我们按着一定的要求和顺序编成控制指令即加工程序，并把它存放在一种存储物上。此存储物就是在人和机床之间建立联系的媒介物，也就是控制介质或称信息载体。控制介质可以是穿孔纸带，磁带、磁盘或其他可存储物质。2 数控装置数控装置 是数控机床的中心环节，它接受控制介质输入的信息，经过处理与运算去控制机床动作。数控装置由输入装置、存储器、控制器与一套处理数控加工的相关软件、运算器和输出装置组成。3 伺服系统 是数控装置与机床的联系环节，它把来自数控装置的指令转变为机床部件的运动，使工作台和主轴按规定的动作运动，加工出合格产品。212数控机床的工作原理(1)在使用数控机床进行数控加工时，把零件的

33、加工信息(如零件尺寸、形状和技术条件)编出工件加工程序，将加工工件时刀具相对于工件的位置和机床全部动作顺序，按规定格式和代码记录在信息载体上；(2)把信息载体(控制介质)即工件加工程序输入计算机数控装置：(3)数控装置接收由穿孔带、阅读机、磁盘、键盘等送入的代码信息，经过识别与译码之后送到指定存储区，作为控制与运算的原始数据：(4)伺服驱动系统把来自数控装置的运动指令转变成机床移动部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或定位，加工出符合图样要求的工件：(5)辅助装置把计算机送来的辅助控制指令，经机床接口电路转换成强电信号，用来控制机床主轴电机的启动停车，主轴转速调整，冷却泵启停以与转位换刀；(6)

34、反馈系统将机床移动的实际位置，速度参数检测出来。转换成电信号。并反馈到计算机中，使计算机随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应指令，纠正所产生的误差。零件在机床上加工过程如图2-1所示，当改变加工上件时，在数控机床上只需改变加工程序即可进行新零件加工。22数控机床控制方式选择221位置控制方式分类伺服系统是位置控制系统，是数控装置与机床的联系环节，位置控制按其结构分为开环控制和闭环控制。2211开环控制形式如图2-2是典型的开环数控系统，其中没有位置检测反馈装置，指令是单方向传送的，并且指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环控制的伺服系统主要使用步进电机。插补器进行插补，

35、发出指令脉冲，经驱动放大电路放大后，驱动步进电机转动，一个进给脉冲使步进电机转动一个角度，通过齿轮减速，丝杠传动使工作台移动一定距离，因此，工作台的位移量与步进电机的转角成正比，即与进给脉冲数目成正比。改变进给脉冲数目和频率，可以控制工作台的移动量和速度。开环控制结构简单，调试方便，容易维修，成本较低，但控制精度不高，适宜于经济型数控机床与数控改造。2212闭环控制形式安装在工作台上的检测元件将工作台的实际位移量反馈到计算机中，与所要求的位移量相比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止，从而使精度大大提高，如图2-3所示。闭环控制加工精度高，移动速度快，但电机控制电路比较复杂，检测原件价格

36、昂贵，调试维修费用高。2213半闭环控制形式半闭环控制没有直接检测工作台的位移量，原因是检测元件安装在电机的端头或丝杠的端头，闭环环路不包括丝杠螺母副工作，所以可获得较稳定的控制特性。控制精度比闭环控制的要差，但控制系统调试维修方便。如图2_4所示。221.4结论目前，机床数控化改造大多采用经济型数控改造即开环数控系统来提高机床的自动化程度和机床的加工精度，X5032铣床数控化改造采用的即是开环控制形式。222步进电机的开环控制步进电机是典型的开环驱动装置，与所选定的wA一21M数控系统相匹配，是将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置。其角位移量和输入脉冲的个数严格的成正比，在时间上与输入

37、脉冲同步。2221步进电机的工作原理(I)步进电机的定子绕组每换接一次通电相序步进电机转子就沿某旋向旋转一个角度即步距角。=360/mzk其中p一步距角；m一定子绕组相数，通常有由三相、四相、五相等；z转子齿数；K-与通电方式有关的系数，k=拍数相数。(2)步进电机的输出转角与输入的脉冲个数严格的成正比例，控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量。(3)步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，控制脉冲频率就能调节步进电机的转速。 其中 n-转速（r/min)； f- 控制脉冲频率（Hz)； -步距角（度数）。(4)改变通电相序即可改变电机转向。2222步进电机开环控制系统构成如图2-5是步进电机

38、开环控制系统的构成与原理框图，它由脉冲信号源、脉冲分配器、功率放大器、步进电机组成。脉冲信号源 是一个脉冲发生器，脉冲的频率可以连续调整，送出的脉冲个数和脉冲频率由控制信。引空制。在CNC系统由计算机根据程序控制脉冲个数和脉冲频率，对步进电机实行各种运行状态的控制。脉冲分配器 一方面接受输入脉冲和方向指令，另一方面面向功率驱动器供给控制信号。在方向指令的作用下，脉冲分配器将输入cP脉冲信号按定顺序分配，然后送到驱动器进行功率放大，驱动步进电机使其转子按顺时针或逆时针方向转动。功率驱动器 是一功率开关电路，其作用就是将从脉冲分配器送来的弱电信号经功率放大，控制步进电机各项绕组电流按一定的顺序切换

39、，步进电机按要求运转。步进电机是拖动负载的执行元件。223数控机床开环系统速度计算在开环系统中，坐标轴运动速度是通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现的，系统每发出一个脉冲，步进电机就转过一个角度，从而驱动坐标轴移动定距离即脉冲当量(mm)。插补程序根据零件轮廓要求向各个坐标轴分配脉冲，提供位置指令。而脉冲发送到步进电机的频率则确定了进给速度，进给速度V与脉冲发送频率f有如下关系：V=60f mm/min = f 10-3 m/s其中V-进给速度（m/s)； f-脉冲发送频率（Hz)； -脉冲当量（mm)。第三章 机械传动系统的改造设计 在机床数控化改造中，很重要的工作之一便是进行机械传动系统

40、的改造设计，这里所提到的机械传动系统与一般的机械系统相比，除要求有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快。稳定性要好。为此在设计中，常提出无间隙，低摩擦低惯量，高刚度，高谐振频率，适当的阻尼比要求。 机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件，以与连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承件、旋转支承件、轴系与架体等机构组成。常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带以与各种非线性传动部件等。31机械传动系统改造设计方案311改造设计任务 将一台X5032普通立式铣床，对其进给系统进行改造，成为用以实现平面、凸轮、沟槽、圆弧槽等复杂零件

41、的自动铣削加工的数控铣床。3.1.2 总体方案设计的确定总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式，伺服系统的类型，以与传动方式和执行机构的选择等，在符合经济型数控改造一般原则的前提下，具体方案如下：（1）保留机床原主轴运动系统，通过改造实现主轴正/反转，启动/停车的NC控制；（2）拆除机床工作台X、Y轴原有进给系统，将滑动丝杠副更换为滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱，减速齿轮，步进电机。对机床结构进行测绘，传动系统设计计算，选择合适的滚珠丝杠安装方式，完成齿轮传动机构设计，步进电机选则等。为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用磨擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度

42、和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便；需经常调整的部位调整应方便。（3）选择经济型开环数控系统，确定步进驱动元件，实现机床工作台X、Y轴数控，主轴的部分数控功能要求。X、Y向步进精度为0.005/0.005mm/step;轴向定位精度0.015mm；重复定位精度0.008mm。3.2 机械传动系统改造设计与计算3.2.1 已知条件1. 原x5032铣床数据进给电机 额定功率 1.5kw 额定转速 1410rpm最大水平托动力 15KN最大进给速度 纵向 2.3m/min; 横向 1.54m/min ； 工件

43、最大重量 200kg机动围 纵向 680mm; 横向 240mm； 主轴轴向移动距离 85mm2. 工艺数据根据3.1.1改造设计任务的要求，参考切削用量手册，确定选择用YT15硬质合金端铣刀铣削，铣刀直径d0=0.125m；齿数Z=4；铣削宽度a0=0.07m；铣削深度ap=h=3.710-3m/s；每齿进给量af=210-4m/z；刀具耐用度T=10.8103s；主轴转速n=(4.17-5.0)r/s=(250-300)rpm;切削速度v=(1.64-1.96)m/s;进给速度vf=（3.5-3.92）10-3m/s。3. 机床进给部件重量估算 纵向（X轴）工作台 长1335mm 约重 2

44、200N 横向（Y轴）工作台 长 445mm 约重4500N4.对进给传动系统的要求（l）、高的传动精度和定位精度传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用，也是机床特征的指标之一。在设计中在进给传动链中加入减速齿轮，以减少脉冲当量(即伺服系统接收一个指令驱动工作台移动的距离)，预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙等办法，可达到提高传动精度和定位精度的目的。（2）、宽的进给调速围伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速围，以适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，工作进给速度围可到3-6000mm/min(调速围1：2000)。为了完成精确定位，伺服系统的低

45、速趋近速度达0.1mm/min。为了缩短辅助时间，提高加工效率，快速移动速度应高达1 5m/min。（3）、响应速度快所谓快速响应特性是指迸给系统对指令输入信号的相应速度与瞬态过程结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快；定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求；工作台应能在规定的速度围灵敏而精确地跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象。进给系统响应速度的大小不仅影响机床的加工效率，而且影响加工精度。（4）、无间隙传动进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各传动副中，直接影响数控机床的加工精度。（5）、稳定性好，寿命长稳定性是伺服进给系统能够正常

46、工作的最基本条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。稳定性与系统的惯性、刚性、阻尼与增益等都有关系，适当选择各项参数，并能达到最佳的工作性能。（6）、使用维护方便数控铣床是高精度自动控制机床，主要用于单件、中小批量、高精度与复杂间的生产加工，机床的开机率相应就高，因而进给系统的结构设计应便于维护和保养，最大限度地减少维修工作量，以提高机床的利用率。拆除铣床原有的手柄和滑动丝杠螺母副，更换为滚珠丝杠副和减速齿轮与交流伺服电机。3.2.2 进给系统计算，设计3.2.2.1 纵向（X向）设计计算1.纵向（X向）进给系统概述：X5032经济型数控改造纵向进给系统采用

47、步进电机一级减速齿轮传动，带动滚珠丝杠传动，并通过丝杠-螺母副带动工作台移动。一般把步进电机安装在纵向丝杠的右端，如图：普通机床通常采用滑动丝杠实现旋转运动到直线运动的转换，其精度相对较低，摩擦因数大，传动效率低，因此在要求较高的场合应将其更换为滚珠丝杠。滚珠丝杠的传动效率高，无爬行，预紧后可消除反向间隙，精度高，因而在改造中得到了广泛的使用。2. 滚珠丝杠的工作原理与特点：滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。如图：在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽，这两个圆弧形槽合起来便形成了螺旋滚道，在滚道装入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时

48、，滚珠在螺旋滚道滚动，迫使二者发生轴向相对位移。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠、螺母之间构成一个闭合回路。由于滚珠的存在，丝杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。滚珠丝杠螺母机构具有下列特点：（1） 摩擦损失小，传动效率高。滚珠丝杠螺母机构的传动效率可达0.920.96，是普通滑动丝杠螺母机构的3-4倍，而驱动转矩仅为滑动丝杠螺母机构的1/4。（2） 运动平稳，摩擦力小，灵敏度高，低速时无爬行。由于主要存在的是滚动摩擦，不仅动，静摩擦因数都很小，且其差值很小，因而起动转矩小，动作灵敏，即使在低速情况下也不会出现爬行现象。（3） 轴向

49、刚度高，反向定位精度高。由于可以完全消除丝杠与螺母之间的间隙并可实现滚珠的预紧，因而轴向刚度高，反向时无空行程，定位精度高。（4） 磨损小、寿命长、维护简单。使用寿命是普通滑动丝杠螺母机构的4-10倍。（5） 传动具有可逆性、不能自锁。由于摩擦因数小，不能自锁，因而使该机构的传动具有可逆性，即不仅可以把旋转运动转化为直线运动，而且还可以把直线运动转化为旋转运动。由于不能自锁，在某些场合，如传动垂直运动时必须附加制动装置或防止逆转的装置，以免工作台等因自重下降。（6） 同步性好。用几套一样的滚珠丝杠螺母机构同时传动几个一样的部件或装置时，可获得较好的同步性。（7） 有专业厂生产，选用配套方便。3

50、. 滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整：现代数控机床广泛采用施加预紧力来消除间隙，提高传动刚度，这是伺服进给系统机械传动机构设计中突出的一点。滚珠丝杠螺母轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量。除了结构本身所有的游隙之外，还包括施加轴向载荷后产生弹性变形所造成的轴向窜动量，为了保证反向运动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。用预紧方法消除间隙时应注意，预加载荷能够有效的减少弹性变形所带来的轴向位移，但预紧力不宜过大，过大的预紧载荷将在年国家摩擦力，使传动效率降低，缩短丝杠的使用寿命。所以，一般需要经过多次调整才能保证机床在最大轴向载荷下既消除了间隙又能灵活运转。对于x5

51、032铣床，采用双螺母垫片调隙式结构。如图：通过调整垫片的厚度使左右螺母产生轴向位移，就可达到消除间隙和产生预紧力的作用，这种方法结构简单，刚性好，装卸方便，可靠，但缺点是调整费时，很难在一次修磨中调整完成，调整精度不高，仅适用于一般精度的数控机床。4. 进给系统传动齿轮间隙的消除普通机床的进给箱为齿轮箱。齿轮箱传动链长，机构复杂，反向间隙累计增大，大大降低了传动精度。进给箱部分的改造就是要取消元齿轮箱，换为具有消隙装置的一级减速机构传动副，以减小传动间隙，提高精度。在机床改造中，步进电动机与丝杠传动副之间装有减速机构，通过减速机构可得到所需的脉冲当量和增大驱动力矩。通常采用齿轮传动或同步齿形

52、带传动机构。齿轮减速机构结构简单，传动功率大，寿命长，成本低，所以在传动功率要求较大的场合较多采用。在数控机床进给系统中，当考虑惯量，转矩或脉冲当量的要求，必须进行减速的情况下，采用齿轮传动。而减速齿轮的齿侧间隙使换向后的运动滞后于指令信号，造成开环伺服进给系统的死区误差，影响定位精度。因而在横向和纵向进给机构中采用双片齿轮错齿法。5. 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 铣削力的计算考虑修正系数 （式中b的单位为GPa)将相关参数代入 得： Fz=2224.2N对硬质合金端铣刀加工时作用于工件或工作台上的各切削分力有：纵向分力 Px=（0.30.4）Fz 取Px=0.35 Pr横向分力 Py=(0.

53、850.95) Fz 取 Py=0.9 Pr垂直分力 Pz=(0.50.55) Fz 取 Pz=0.525 Pr 于是得： Px=778.47NPy=2001.78NPz=1167.71N 计算进给牵引力Fm：X向（纵向）进给为燕尾型导轨则式中 Px、Py、Pz一铣削分力（N）G移动部件重量(考虑最大承载重量200kg)导轨上的摩擦系数 ,=0.2K考虑颠复力矩影响的实验系数K=1.4则 Fm =1.4778.47+0.2(1167.71+22001.78+4209.8)=2947.3N 计算最大动负载C选用滚珠丝杆副的直径do时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杆在回转100万转（106转）

54、后，在它的滚道上不产生点蚀的现象，这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杆能承受的最大动负载C，可用下式计算：式中 L滚珠丝杠的寿命,以106转为一单位n丝杆转速，（rpm），用下式计算Vf最大进给速度（m/min）取Vf=3.9210-3m/s L0丝杆导程（mm）,L0=6mm则代入得：n=39.2rpmT滚珠丝杠的使用时间（h），对于数控机床T=15000h滚珠丝杠运转系数取=1.2;fh-硬度系数， 取fh=1.1;滚珠丝杆螺母副的选择根据最大动载荷C值，选取HJGS系列FYC2D400654滚珠丝杠。该滚珠丝杠副属外循环双螺母凸出式，公称直径40，导程L0=610-3m，螺母上的负荷滚珠

55、总圈数为5圈，精度为4级，右旋螺纹，其动载荷为29.126KN，远大于12.759.77 KN，故强度足够用。 传动效率计算式中：螺旋升角,磨擦角，滚珠丝杠的磨擦系数f=0.0030.004,则=arctanf=10 刚度计算滚珠丝杠受Fm与受到扭矩引起的导程变化量： 在工作负载作用下引起每一导程的变化量（mm） 工作负载 滚珠丝杠的导程（mm）610-3m；E 材料弹性模数，钢E=20.6106（N/cm2）；A 滚珠丝杠横截面积（按径确定）(mm2)“+” 用于拉伸，“-” 用于压缩外循环滚道圆弧半径 R=0.52dq ，滚珠直径 dq =3.969mm滚珠丝杠副的接触角 =45；公称直径

56、d0=40mm；滚道圆弧偏心距=0.012dq丝杠小径d1=d0+2e-2R=35.984mm2而滚珠丝杠横截面积 丝杠承受转矩 M=Mjmaxi=19.2NM所以所以 丝杠1米长度上导程变形总误差为另外需要考虑到当工作台横向进给时，在纵向上会有较大的切削分力作用到滚珠丝杠致使滚珠丝杠发生变形。此时Fm=3.778KN, C=16.36KN，于是可计算1米围丝杠的螺距误差为：=18um。经查滚珠丝杠弹性变形允许的螺距误差（1米）得知：选用4（F)级精度丝杠的螺距误差18um/m nk =2.5-4则I=10.29cm46. 齿轮传动计算纵向进给齿轮传动比计算式中p脉冲当量p=0.005mm/s

57、tep，Lo滚珠丝杆导程 Lo=6mm步进电机步距角0.72可取齿轮齿数：Z1=25，Z2=50；齿轮Z2为双片齿轮。模数m取2，压力角 =20；齿轮宽度b=20mm；有关齿轮的参数如下表所示： 齿轮传动比参数(mm)齿数2550分度圆d=mz50100齿顶圆Da=d+2m54104齿根圆Df=d-21.2547.597.5齿宽(610)m2020中心距A=(d1+d2)/2757. 纵向进给步进电机计算 等效转动惯量计算式中 JM步进电机转子转动惯量（kgcm2）； J2双片齿轮Z1的转动惯量（kgcm2）； J1普通齿轮Z2的转动惯量（kgcm2）； Js滚珠丝杠转动惯量（kgcm2）。参

58、考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量为Jm=10（kgcm2）。 双片齿轮2=0.7810-32=7.8104210-4 =15.6kgcm2=1.5310-2NM2普通齿轮=0.7810-3=7.854210-4=0.975 kgcm2=0.095510-2NM2丝杠的转动惯量对于HJGS系列，FYC1D4006-541639990滚珠丝杠，其支承间距长度为L=1335mm，公称直径do=40mm则 Js=0.7810-344133.5=26.657kgcm2=2.6110-2NM2工作台质量折算到电机轴上的转动惯量；预选步进电机J130BYG3H840C。步距角=0.72， 脉冲当量=O.005/step G1=420kgJM= 266.238kgmm2 = 2.66238kgcm2 = 2.60910-3NM2因此总的转动惯量为J=0.2609+0.0955+（1.53 +2.61）/4=1.39